1、機(jī)電_體化系統(tǒng)的執(zhí)行元件（三）第四章第三節(jié)交流伺服系統(tǒng)主要用于需要快速跟蹤、超寬的調(diào)速 范圍、精確定位、超低速大力矩等應(yīng)用場(chǎng)合，比如 精密數(shù)控機(jī)床、高速包裝機(jī)、高端紡織、包裝印刷 機(jī)械等機(jī)械制造和配套行業(yè)O其主要技術(shù)指標(biāo)是：瞬態(tài)力矩要達(dá)到253倍 額定力矩，調(diào)速范圍要超過1:2000 UJOOO,必 須釆用編碼器作為速度和位置反饋，為了保證停車 定位，有的電機(jī)自帶抱閘。二、交流伺服電機(jī)分類I 交流電機(jī)一般分為同步電機(jī)和異步電機(jī)« 1、交流同步電機(jī)（SM）:轉(zhuǎn)子由永磁材料構(gòu)成，隨 事屯機(jī)的定了所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的變化,轉(zhuǎn)子也做相應(yīng)頻 率的速度變化，而且轉(zhuǎn)子速度=定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度，即轉(zhuǎn) 子

2、只能跟隨給定的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)進(jìn)行同步旋轉(zhuǎn)，所以稱“同 步”，又稱無刷直流伺服電機(jī)。但在控制和性能上完全可 以和直流伺服電機(jī)媲美。2、交流異步（感應(yīng)）電機(jī)（IM）:轉(zhuǎn)子由感應(yīng)線圈li構(gòu)成。工作時(shí)，定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)并切割轉(zhuǎn)子線圈而產(chǎn)生 感血電流，建而轉(zhuǎn)字產(chǎn)生意血磁揚(yáng)，便轉(zhuǎn)手寵轉(zhuǎn)。咸應(yīng)磁 場(chǎng)隨定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)而變化，但轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)變化永遠(yuǎn)小于定子的速度差的比率。子的變化，一旦相等就沒有變化的磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子的感應(yīng)線 轉(zhuǎn)子線圈中也就沒有了感應(yīng)電流，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)消失，轉(zhuǎn) 子失速又與定子產(chǎn)生速度差又重新獲得感應(yīng)電流。所以在 交流異步電機(jī)里有個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)是轉(zhuǎn)差率，就是轉(zhuǎn)子與定 三、交流伺服與變頻器加普通交流電機(jī)的區(qū)車曠 片.其

3、工作原理基本相同，都是屬于交直交電壓型電機(jī) 動(dòng)器，只是技術(shù)指標(biāo)要求差別大,所以在電機(jī)和籍而且功率范圍寬，從幾百瓦器設(shè)計(jì)方面有很大的差別。其實(shí)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中大多數(shù)設(shè)備 對(duì)電機(jī)的控制性能要求不高，對(duì)比伺服：其調(diào)速范圍一 般是：1:100 （無編碼器）/1:1000（帶編碼器），最大轉(zhuǎn) 矩：1.5倍額定即可。電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的技術(shù)難度、方案及 配置、價(jià)格都大幅度降低。所以變頻器的功能特別豐富, 許多廠家都在開發(fā)行業(yè)專用到上千KW不等。由于應(yīng)用在各行各業(yè)，為了滿足特定行業(yè)的需求，IE型變頻器，比較典型的有：電梯專用變頻器、供水專用 變頻器等。價(jià)格低、覆蓋范圍寬是變頻器的主要特點(diǎn)。 電機(jī)可以是異步電機(jī)，也可以是

4、同步電機(jī)。一般變頻器 只包括速度控制和電流控制兩個(gè)環(huán)節(jié)。 伺服的基本概念就是準(zhǔn)確、精確、快速定位。變頻 是伺服控制的一個(gè)必須的內(nèi)部環(huán)節(jié)，伺服驅(qū)動(dòng)器中同樣 事療在變頻（要進(jìn)行無級(jí)調(diào)速）。但伺服將電流環(huán)、速度 環(huán)或者位置環(huán)都閉合進(jìn)行控制，這是很大的區(qū)別。除此 之外，伺服電機(jī)的構(gòu)造與普通電機(jī)是有區(qū)別的，要滿足快速響應(yīng)和準(zhǔn)確定位的要求。. 現(xiàn)在市面上的交流伺服電機(jī)多為永磁同步交流伺服 電機(jī)，但這種電機(jī)受工藝限制，很難做到很大的功率， 十幾KW以上的同步伺服價(jià)格非常昂貴，這樣在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用 允許的情況下多采用交流異步伺服，這時(shí)很多驅(qū)動(dòng)器就 是高端變頻器，帶編碼器反饋閉環(huán)控制。 變頻器交流異步變頻常見，伺服則

5、交流同步伺服常 見。四、變頻器及伺服系統(tǒng)應(yīng)用由于變頻器和伺服在性能和功能上的不同，所以應(yīng)用也不大相同: 1、在速度控制和力矩控制的場(chǎng)合要求不是很高的一 般用變頻器，也有在上位加位置反饋信號(hào)構(gòu)成閉環(huán)用變 頻進(jìn)行位置控制的，精度和響應(yīng)都不高。 2、在有嚴(yán)格位置控制要求的場(chǎng)合中只能用伺服來實(shí) 現(xiàn)，另外，伺服的響應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于變頻，有些對(duì)速度 的精度和響應(yīng)要求高的場(chǎng)合也用伺服控制，能用變頻控 制的運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合幾乎都能用伺服取代，關(guān)鍵是兩點(diǎn)：一 是價(jià)格上伺服遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于變頻，二是功率的原因：變頻最 大的能做到幾百KW,甚至更高，伺服最大為幾十KW。 但是現(xiàn)在伺服也能做到幾百KW 了 o五、交流伺服電機(jī)的控制方

6、法 1、同步電機(jī)（SM）的控制方法 控制系統(tǒng)框圖：P75反饋的信息：三相繞組電流、轉(zhuǎn)子的位置。 2、異步（感應(yīng)）電機(jī)（IM）的控制方法 控制系統(tǒng)框圖：P77反饋的信息：三相繞組電流、轉(zhuǎn)子的位置。 完成的控制：轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、位置六、交流伺服電機(jī)的變頻調(diào)速控制.1、交流感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速特性_電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可用下面的公式表示:n = (1 - s)o = (1 - 5) 6°，P式中：n0- f -P 一旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，又稱同步轉(zhuǎn)速，r/min；交流電源的頻率，Hz；-電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)；s 差率，s = ( Hq -n ) / n o o由上式可以看出，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源的頻率成正比， 改變電源

7、的頻率(其它條件不變)即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn) 速，這就是三相異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的原理。在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩應(yīng)保持不變。轉(zhuǎn)矩與磁通©成正比,而磁通近似正比于 電源電壓1/和頻率的比值,即If o所以在改變頻率/調(diào)速時(shí)，必須同時(shí)相應(yīng)地調(diào)節(jié)電源電壓，以保持卩仃的值不變，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn) 矩恒定。2、變頻調(diào)速方法可分為交一直一交變頻、交一交變頻、脈 寬調(diào)制(SPWM)變頻等，其中每一種變頻又 有很多變換形式和接線方法。OOOrr>r夕 i交-直-交變頻電路結(jié)構(gòu)圖3、SPWM變頻調(diào)速原理II在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖 量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性 的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本

8、相同。沖量即指 窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同, 是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。下面 來分析一下如何用一系列等幅而不等寬的 脈沖來代替一個(gè)正弦電波。正弦波PWM原理示意圖(a)正弦半波；(b)PWM波形把圖(可所示的正弦半波波形分成 N等份，就可把正弦半波看成由N 個(gè)彼此相連的脈沖所組成的波形。 這些脈沖寬度相等，都等于n/N, 但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替,使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積(沖量)相等，就得到圖(b)所示的脈沖序列，這就是 P

9、WM波形。(1)單相SPWM控制原理叫叫叫信號(hào)波4WJ單相橋式PWM逆變電路耳 2KvdiRru 2弘左圖是采用電力晶體管作為開關(guān)器件的電壓型單相橋 式逆變電路。控制V4或通斷的方法如右圖所示。雙極性PWM控制方式原理rK z%3ZvD5V4(a)三相SPWM逆變電路(2)三相SPWM控制原理在PWM型逆變電路中，使用最 多的是圖3)所示的三相橋式逆 變電路，其控制方式一般都采 用雙極性方式。u、V和W三相 的PWM控制通常公用一個(gè)三角 波載波，三相調(diào)制信號(hào)"山、 %和"rW的相位依次相差120。 U、V和W各相功率開關(guān)器件的 控制規(guī)律相同，現(xiàn)以U相為例來 說明。當(dāng)&quo

10、t;ru>"c時(shí)，給上橋臂 晶體管V】以導(dǎo)通信號(hào)，給下橋 臂晶體管以關(guān)斷信號(hào)，則U相2 5'"d2晶體管V以導(dǎo)通信號(hào)，給下橋 臂晶體管4以關(guān)斷信號(hào)，則U相 相對(duì)于直流電源假想中點(diǎn)IT的 輸由電壓"%V %時(shí) 給V 1以匚"uhr=Ud/2。，=U d / 2。當(dāng) N以導(dǎo)通信號(hào)， 說信號(hào)，則3 VD 瓜£±22VDVD4(a)三相SPWM逆變電路V1和V4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)始終是互 補(bǔ)的。當(dāng)給V(V4)加導(dǎo)通信 號(hào)時(shí)，可能是V(V4)導(dǎo)通， 也可能二極管VD1(VD4)續(xù)流 導(dǎo)通，這要由感性負(fù)載中原 來電流的方向和大小來決定, 和單相橋式逆變電路雙極性SPWM控制時(shí)的情況相同。V相和W相的控制方式和U相 相同。同步調(diào)制三相SPWM波形如N，和Svir的波形如圖所示。可以看出，這些波 形都只有±4/2兩種電平。和只像這種逆變電路相電壓("UIT、 能輸出兩種電平的三相橋式 電路無法實(shí)現(xiàn)單極性控制。在雙極性SPWM控制方式中，同一相上、下兩個(gè) 臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)都是互補(bǔ)的。但實(shí)際上為了防止上、 下兩個(gè)臂直通而造成短路，在給一個(gè)臂施加關(guān)斷 信號(hào)后，再延遲At時(shí)間，才給另一個(gè)臂施加導(dǎo)通 信號(hào)。延遲時(shí)間的